Isso é quase certamente um gargalo de desempenho específico da implementação em algum lugar. Você está correto em que todas as outras coisas iguais com MTUs maiores resultarão em menor sobrecarga e, portanto, maior desempenho. Mas outras coisas raramente são iguais ... aqui, alguma parte do código de movimentação de encaminhamento / pacote provavelmente tem um tamanho de buffer de base de 5KB ou algo assim, então quando você atravessa essa barreira, de repente você está perguntando ao sistema fazer o dobro do trabalho.
Uma maneira de apoiar essa teoria seria aumentar ainda mais a MTU. Se você vir uma grande queda a 5KB, mas então seu thruput melhora uma vez além disso, você quase certamente atingiu algum limite de tamanho de buffer em algum lugar no caminho do código.